JP2011514009A - Optical synchronization based on optical resonator with high quality factor - Google Patents

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Abstract

光共振器及びレーザの光同期を提供する技術及びデバイス
【選択図】 図1A
TECHNIQUE AND DEVICE FOR PROVIDING OPTICAL RESONATOR AND LASER OPTICAL SYNCHRONIZATION

Description

優先権の主張及び関連する特許出願
本出願は、2008年3月11日に出願された、米国仮出願番号第61/035,608号、発明の名称、「Tunable Narrow-Linewidth Injection-Locked Semiconductor Lasers with High-Q Whispering-Gallery Mode Resonators」、2008年5月15日に出願された、米国仮出願番号第61/053,411号、発明の名称、「VERY PRECISE OPTICAL LOCK FOR BALANCED WGMR BASED FILTER」、及び2008年7月3日に出願された、米国仮出願番号第61/058,487号、発明の名称、「ALL OPTICAL LOCK FOR PHOTONIC APPLICATIONS」の優先権を主張する。これらの特許出願の開示全体は、引用によって、本出願の一部として援用される。
Priority claim and related patent applications This application is filed on March 11, 2008, US Provisional Application No. 61 / 035,608, entitled "Tunable Narrow-Linewidth Injection-Locked Semiconductor Lasers". with High-Q Whispering-Gallery Mode Resonators ", US Provisional Application No. 61 / 053,411, filed May 15, 2008, title of invention," VERY PRECISE OPTICAL LOCK FOR BALANCED WGMR BASED FILTER ", Claims the priority of US Provisional Application No. 61 / 058,487, the title of the invention, "ALL OPTICAL LOCK FOR PHOTONIC APPLICATIONS", filed July 3, 2008. The entire disclosure of these patent applications is incorporated by reference as part of this application.

本発明は、光共振器に基づくデバイスに関する。   The present invention relates to devices based on optical resonators.

光共振器は、例えば、光周波数基準及び光フィルタリングデバイス等の様々な用途について、高い共振器品質係数(Q値)を示すように構成できる。例えば、ウィスパリングギャラリーモード(WGM)共振器は、ウィスパリングギャラリーモードに光を閉じ込める構造を有し、光は、閉環状の光路内で全反射される。WGM共振器内の光は、光透過によって共振器を出ることができず、この結果、WGM共振器を用いることによって、ファブリ・ペロー共振器では達成することが困難な高い光の品質係数(Q値)を有する光共振器を実現することができる。WGM共振器内の光は、WGモードのエバネッセント場を介して、WGM共振器の閉環状の光路の外表面から「しみだす(leaks)」。   The optical resonator can be configured to exhibit a high resonator quality factor (Q value) for various applications such as, for example, optical frequency reference and optical filtering devices. For example, a whispering gallery mode (WGM) resonator has a structure for confining light in a whispering gallery mode, and the light is totally reflected in a closed ring optical path. The light in the WGM resonator cannot exit the resonator by light transmission, and as a result, by using the WGM resonator, a high light quality factor (Q that is difficult to achieve with a Fabry-Perot resonator) Value) can be realized. Light in the WGM resonator “leaks” from the outer surface of the closed annular optical path of the WGM resonator via the WG mode evanescent field.

本明細書は、光共振器及びレーザの光同期を提供するための技術及びデバイスの実施例を開示する。   This specification discloses examples of techniques and devices for providing optical synchronization of optical resonators and lasers.

一側面においては、本出願は、レーザを生成するレーザと、光干渉計と、光干渉計に接続された光共振器とを含むデバイスを提供する。レーザは、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成する。光干渉計は、レーザ出力ビームの光路内に位置し、レーザ出力ビームの第1の部分を受け取る第1の光路、レーザ出力ビームの第2の部分を受け取る第2の光路、及び第1及び第2の光路が合流して終わる光結合器を含む。光結合器は、第1の光路からの光の一部を透過し、第2の光路からの光の一部を反射して、第1の結合された光出力を生成する。また、光結合器は、第2の光路からの光の一部を透過し、第1の光路からの光の一部を反射して、第2の結合された光出力を生成する。光共振器は、第1の光路に光学的に結合され、第1の光路内の光をフィルタリングする。このデバイスは、第1の結合された光出力及び第2の結合された光出力を検出して、レーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する検出モジュールと、誤差信号を受け取り、誤差信号の周波数差に応じて、(1)レーザ及び(2)光共振器のうちの1つをチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させるフィードバック制御メカニズムを備える。   In one aspect, the present application provides a device that includes a laser that generates a laser, an optical interferometer, and an optical resonator connected to the optical interferometer. The laser produces a laser output beam at the laser frequency. The optical interferometer is located in the optical path of the laser output beam, the first optical path receiving the first portion of the laser output beam, the second optical path receiving the second portion of the laser output beam, and the first and first An optical coupler including two optical paths that end together is included. The optical coupler transmits a portion of the light from the first optical path and reflects a portion of the light from the second optical path to generate a first combined light output. The optical coupler also transmits a portion of the light from the second optical path and reflects a portion of the light from the first optical path to generate a second combined light output. The optical resonator is optically coupled to the first optical path and filters light in the first optical path. The device detects a first combined light output and a second combined light output to generate an error signal representing a frequency difference between the laser frequency and the resonant frequency of the optical resonator A feedback control mechanism that receives the error signal and tunes one of the laser and (2) the optical resonator in accordance with the frequency difference of the error signal to synchronize the laser and the optical resonator with each other. Prepare.

他の側面においては、レーザ及び光共振器を互いに同期させる方法は、レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するステップと、レーザ出力ビームのレーザ光を、交差する第1の光路及び第2の光路を含み、第1の光路の光と第2の光路の光との間に光干渉を生成する光干渉計に方向付けるステップと、第1の光路内に光共振器を光学的に結合して、第1の光路内の光をフィルタリングするステップと、光干渉計の2つの光出力を用いて、レーザのレーザ周波数と、光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するステップと、誤差信号の周波数差に応じて、(1)レーザ及び(2)光共振器の1つをチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させるステップとを有する。   In another aspect, a method of synchronizing a laser and an optical resonator includes operating a laser and generating a laser output beam at a laser frequency without modulating the laser beam; and Directing to an optical interferometer that includes a first optical path and a second optical path that intersect, and generates optical interference between the light in the first optical path and the light in the second optical path, and the first optical path Optically coupling an optical resonator therein to filter the light in the first optical path, and using the two optical outputs of the optical interferometer, the laser frequency of the laser and the resonant frequency of the optical resonator Generating an error signal representing a frequency difference between and (1) tuning one of the laser and (2) the optical resonator according to the frequency difference of the error signal, Steps to synchronize with each other With the door.

他の側面においては、レーザからのレーザ周波数に対して、光共振器の共振周波数を安定させるデバイスを提供する。このデバイスは、レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、レーザ出力ビームの光路内に配置され、レーザ出力ビームの光を受け取る光共振器と、光共振器を光路に結合し、レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成する光カプラとを備える。光カプラは、レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、光共振器に対して構成及び配置されている。デバイスは、レーザ出力ビームの光路内に、レーザと光共振器との間に配置され、レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成する光変調器とを備え、光カプラによる変調側波帯内の光の光共振器への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、変調側波帯内の光の光吸収によって、光共振器が熱的に安定する。変調側波帯は、光フィルタモード周波数とは周波数が異なる。   In another aspect, a device is provided that stabilizes the resonant frequency of the optical resonator relative to the laser frequency from the laser. The device includes a laser that generates a laser output beam at a laser carrier frequency, an optical resonator that is disposed in the optical path of the laser output beam, receives the light of the laser output beam, and couples the optical resonator to the optical path to output the laser An optical coupler that receives the light of the beam and generates an optical output. The optical coupler provides optical coupling at an optical filter mode frequency different from the laser carrier frequency so as to provide optical coupling that is not under critical coupling conditions in which the light coupled to the optical resonator is completely trapped within the optical resonator. Constructed and arranged with respect to the resonator. The device includes an optical modulator disposed in the optical path of the laser output beam between the laser and the optical resonator, and modulates the laser output beam to generate a modulation sideband. Optical coupling of light in the waveband to the optical resonator is near the critical coupling condition, and the optical resonator is thermally stabilized by light absorption of light in the modulation sideband. The modulation sideband is different in frequency from the optical filter mode frequency.

他の側面においては、光共振器フィルタを動作させる方法は、変調側波帯を搬送するように変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームを光共振器に供給するステップと、光カプラを動作させて、変調側波帯における光を、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件の付近の光共振器に結合し、変調側波帯内の光の光吸収によって、光共振器を熱的に安定させるステップと、光共振器が光共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号を方向付けて光共振器を通過させ、変調側波帯及び共振器制御レーザビームのレーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングを行うステップとを有する。   In another aspect, a method of operating an optical resonator filter includes providing a resonator controlled laser beam of a laser carrier frequency modulated to carry a modulation sideband to an optical resonator, and an optical coupler. Operate and couple the light in the modulation sideband to the optical resonator near the critical coupling condition where the light coupled to the optical resonator is completely trapped in the optical resonator, Stabilizing the optical resonator thermally by absorbing light, and optically resonating by directing the incident optical signal while the optical resonator receives and stabilizes the optical resonator-controlled laser beam And optical filtering of the incident optical signal by resonance of the optical resonator at an optical filter mode frequency different from the laser carrier frequency of the modulation sideband and the resonator-controlled laser beam. .

更に他の側面においては、光共振器にレーザを同期させるためのデバイスは、制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還(distributed feedback:DFB)レーザと、光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構成され、DFBレーザに光学的に結合され、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器内にレーザビームの一部を受け取り、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードのレーザ光をDFBレーザに戻して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びDFBレーザの線幅を削減する光共振器とを備える。デバイスは、更に、ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、光共振器からDFBレーザへのレーザ光のフィードバックを介して、DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを備える。   In yet another aspect, a device for synchronizing a laser to an optical resonator is tunable in response to a control signal, a distributed feedback (DFB) laser that generates a laser beam at a laser frequency, and an optical Configured to support a whispering gallery mode circulating in the resonator, optically coupled to the DFB laser, receiving a portion of the laser beam in the whispering gallery mode optical resonator, An optical resonator is provided that returns whispering gallery mode laser light to the DFB laser, stabilizes the laser frequency at the whispering gallery mode frequency, and reduces the line width of the DFB laser. The device further comprises a resonator tuning mechanism that controls and tunes the frequency of the whispering gallery mode to tune the laser frequency of the DFB laser via feedback of the laser light from the optical resonator to the DFB laser.

これら及びこの他の側面及び実施例については、図面、説明及び特許請求の範囲に詳細に開示されている。   These and other aspects and embodiments are disclosed in detail in the drawings, description, and claims.

光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a laser and a resonator via an optical interferometer. 変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a resonator with a laser by thermal stabilization using the light in a modulation sideband. 変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a resonator with a laser by thermal stabilization using the light in a modulation sideband. 変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。It is a figure explaining the specific example and operation | movement which synchronize a resonator with a laser by thermal stabilization using the light in a modulation sideband. 注入同期によってレーザを共振器に同期させ、狭いレーザ線幅を達成するデバイスを示す図である。FIG. 6 shows a device that achieves a narrow laser linewidth by synchronizing the laser to the resonator by injection locking.

本明細書に開示する光同期技術及びデバイスは、高Q値を有する光共振器を用いて、狭い共振器線幅を提供する。高Q値を有する光共振器は、レーザのレーザ周波数に同期させることができ、又はこの逆を行うことができる。以下の具体例は、レーザ及び光共振器を互いに同期させる技術及びデバイスを提供する。具体例では、レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成する。レーザ出力ビームのレーザ光は、光干渉計に方向付けられ、光干渉計は、第1の光路及び第2の光路を含み、これらは、交差して、第1の光路の光と第2の光路の光との間に光干渉を生成する。光共振器は、第1の光路に結合され、第1の光路内の光をフィルタリングする。光干渉計の2つの光出力は、レーザのレーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するために使用される。そして、この誤差信号を用いて、レーザ及び光共振器の何れか又は両方を制御及びチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させる。   The optical synchronization techniques and devices disclosed herein provide a narrow resonator linewidth using an optical resonator having a high Q value. An optical resonator with a high Q value can be synchronized to the laser frequency of the laser, or vice versa. The following examples provide techniques and devices for synchronizing a laser and an optical resonator with each other. In a specific example, the laser is operated and a laser output beam is generated at the laser frequency without modulating the laser beam. The laser light of the laser output beam is directed to the optical interferometer, the optical interferometer including a first optical path and a second optical path, which intersect to intersect the light in the first optical path and the second optical path. Optical interference is generated between the light in the optical path. The optical resonator is coupled to the first optical path and filters light in the first optical path. The two optical outputs of the optical interferometer are used to generate an error signal that represents the frequency difference between the laser frequency of the laser and the resonant frequency of the optical resonator. Then, using this error signal, either or both of the laser and the optical resonator are controlled and tuned to synchronize the laser and the optical resonator with each other.

図1A及び図1Bは、レーザと共振器とを互いに同期させる2つの例示的デバイスを示している。図1Aのデバイスは、誤差信号に応じて共振器をチューニングすることによって、共振器をレーザに同期させ、一方、図1Bのデバイスは、誤差信号に応じてレーザをチューニングすることによって、レーザを共振器に同期させる。   1A and 1B show two exemplary devices that synchronize the laser and the resonator with each other. The device of FIG. 1A synchronizes the resonator to the laser by tuning the resonator in response to the error signal, while the device of FIG. 1B resonates the laser by tuning the laser in response to the error signal. Synchronize with the vessel.

図1A及び図1Bでは、レーザ101を用いて、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成し、レーザ出力ビームは、光干渉計110に供給される。この具体例の光干渉計110は、マッハツェンダ干渉計(Mach-Zehnder interferometer)であり、入射光を、反射器114を含む第1の光路と、反射器116を含む第2の光路とに分離する入力ビームスプリッタ113を含む。第1及び第2の光路は、光結合器(optical combiner)115において、互いに合流し、終了する。この具体例では、光結合器115は、部分的な透過性を有し及び部分的な反射性を有し、第1の光路からの光の一部を透過し、第2の光路からの光の一部を反射して、第1の結合された光出力111(A)を生成する光素子であってもよい。また、光結合器115は、第2の光路からの光の一部を透過し、第1の光路からの光の一部を反射して、第2の結合された光出力112(B)を生成する。光共振器130は、第2の光路に光学的に接続され、第2の光路内の光をフィルタリングする。共振器130としては、WGM共振器を使用することができ、エバネッセント結合によって、WGM共振器を第2の光路に結合することができる。検出モジュール120は、第1の結合された光出力111及び第2の結合された光出力112を検出して、レーザ101のレーザ周波数と、光共振器130の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する。フィードバック制御140を設け、誤差信号を受け取り、レーザ101及び光共振器130の一方をチューニングして、レーザ101及び光共振器130を互いに同期させる。幾つかの具体例では、同期を実現するために、レーザ101と共振器130の両方をチューニングしてもよい。   1A and 1B, a laser output beam is generated using a laser 101 at a laser frequency, and the laser output beam is supplied to an optical interferometer 110. The optical interferometer 110 of this specific example is a Mach-Zehnder interferometer, and separates incident light into a first optical path including a reflector 114 and a second optical path including a reflector 116. An input beam splitter 113 is included. The first and second optical paths merge together at an optical combiner 115 and terminate. In this example, the optical coupler 115 is partially transmissive and partially reflective, transmits part of the light from the first optical path, and transmits light from the second optical path. May be an optical element that generates a first combined light output 111 (A) by reflecting a portion of the light. The optical coupler 115 transmits a part of the light from the second optical path, reflects a part of the light from the first optical path, and generates the second combined optical output 112 (B). Generate. The optical resonator 130 is optically connected to the second optical path, and filters light in the second optical path. A WGM resonator can be used as the resonator 130, and the WGM resonator can be coupled to the second optical path by evanescent coupling. The detection module 120 detects the first combined light output 111 and the second combined light output 112 to determine a frequency difference between the laser frequency of the laser 101 and the resonance frequency of the optical resonator 130. Generate an error signal that represents. Feedback control 140 is provided to receive the error signal and tune one of laser 101 and optical resonator 130 to synchronize laser 101 and optical resonator 130 with each other. In some implementations, both laser 101 and resonator 130 may be tuned to achieve synchronization.

図1A及び図1Bにおいて、検出モジュール120は、光検出器、例えば、低速フォトダイオードを含み、干渉計110のホワイトポート及びダークポート(white and dark ports)を検出し、光検出器の出力は、差動増幅器121において減算される。増幅器121の出力は、誤差信号を表す。この出力は、干渉計110内の2つの光路の平衡が完全に保たれていれば、レーザ101と共振器130の間の光学的な離調がゼロのとき、略々ゼロ電圧になる。共振器130を有する第2の光路内の光ビームの位相は、共振器130の共振周波数及びその帯域幅に鋭く依存する。   In FIG. 1A and FIG. 1B, the detection module 120 includes a photodetector, for example, a low speed photodiode, detects the white and dark ports of the interferometer 110, and the output of the photodetector is Subtraction is performed in the differential amplifier 121. The output of the amplifier 121 represents an error signal. If the two optical paths in the interferometer 110 are perfectly balanced, this output will be approximately zero voltage when the optical detuning between the laser 101 and the resonator 130 is zero. The phase of the light beam in the second optical path having the resonator 130 sharply depends on the resonance frequency of the resonator 130 and its bandwidth.

共振器130は、様々なメカニズムに基づいてチューニングできる。例えば、WGM共振器は、電気光学材料(electro-optic material)から形成でき、材料に適用される電気的制御信号を変化させることによってチューニングできる。更に、共振器は、共振器の温度を制御することによって、又はPZTアクチュエータ等のアクチュエータを用いて共振器を機械的に圧縮する力又は圧力を加えることによってチューニングすることもできる。   The resonator 130 can be tuned based on various mechanisms. For example, a WGM resonator can be formed from an electro-optic material and can be tuned by changing an electrical control signal applied to the material. Further, the resonator can be tuned by controlling the temperature of the resonator or by applying a force or pressure that mechanically compresses the resonator using an actuator such as a PZT actuator.

図2は、図1A及び図1Bにおける信号A、B、Cを示している。図3は、飽和状態の下で動作する増幅器121の出力を示している。図1A及び図1Bの設計は、レーザからのレーザキャリア(laser carrier)の光学的変調を必要とせず、コンパクトなパッケージ内に設計することができる。フィードバックは、高い利得によって、敏感で有効な同期を提供するように設計することができる。同期は、フィードバックの平衡範囲内で自動的に開始するようにしてもよい。   FIG. 2 shows signals A, B, and C in FIGS. 1A and 1B. FIG. 3 shows the output of the amplifier 121 operating under saturation conditions. The design of FIGS. 1A and 1B does not require optical modulation of the laser carrier from the laser and can be designed in a compact package. The feedback can be designed to provide sensitive and effective synchronization with high gain. Synchronization may be initiated automatically within the feedback equilibrium range.

図1A及び図1Bの差分信号を使用することによって、同期範囲が共振器130の共振の線幅内に制限される。この動作範囲は、ある用途では、狭くて不十分であることがある。   By using the differential signal of FIGS. 1A and 1B, the synchronization range is limited within the line width of resonance of the resonator 130. This operating range may be narrow and insufficient for certain applications.

図4A〜図4C及び図5は、広帯域の同期動作を提供する検出モジュール120の他の具体例を示している。   4A-4C and FIG. 5 show another example of a detection module 120 that provides broadband synchronization operation.

図4Aは、光検出器の出力の1つが、2つの信号に分離されることを示している。図4B及び図4Cは、図4Aの設計についての信号及び検出の詳細を示している。1つの信号は、移相器410によって、位相が90度シフトされ、他方の信号は、微分器420に供給され、同じ光検出器の微分された出力を生成する。そして、2つの処理済の信号は、乗算器430に供給され、乗算器430は、2つの処理済の信号を乗算する。結果は、レーザ101のレーザ周波数と共振器130の共振周波数との間の離調がゼロのとき、ゼロ出力になる誤差信号である。信号は、ゼロ離調条件から線形に大きくなり、検出モジュール120において使用されるRF成分の帯域幅によって制限される広い帯域幅を有する。   FIG. 4A shows that one of the photodetector outputs is separated into two signals. 4B and 4C show signal and detection details for the design of FIG. 4A. One signal is phase shifted by 90 degrees by phase shifter 410 and the other signal is fed to differentiator 420 to produce a differentiated output of the same photodetector. Then, the two processed signals are supplied to the multiplier 430, and the multiplier 430 multiplies the two processed signals. The result is an error signal that results in zero output when the detuning between the laser frequency of laser 101 and the resonant frequency of resonator 130 is zero. The signal grows linearly from the zero detuning condition and has a wide bandwidth limited by the bandwidth of the RF component used in the detection module 120.

図5は、第1の結合された光出力111の位相をシフトして、第1の信号を生成する第1の信号処理ユニット410と、第2の結合された光出力112の時間微分を実行して、第2の信号を生成する第2の信号処理ユニット420とを用いて、レーザ101と共振器130とを互いに同期させるデバイスを示している。信号乗算器430は、第1の信号と第2の信号とを乗算して、乗算された信号を生成するために使用される。検出モジュール120は、乗算された信号を用いて、レーザ101と共振器130との間の周波数差を示す誤差信号を生成する。   FIG. 5 shifts the phase of the first combined light output 111 to perform a first signal processing unit 410 that generates a first signal and time differentiation of the second combined light output 112. Thus, a device that synchronizes the laser 101 and the resonator 130 with each other using the second signal processing unit 420 that generates the second signal is shown. The signal multiplier 430 is used to multiply the first signal and the second signal to generate a multiplied signal. The detection module 120 uses the multiplied signal to generate an error signal that indicates the frequency difference between the laser 101 and the resonator 130.

図6は、図1A及び図1Bに示したフィードバック技術、並びに図4A〜図4C及び図5に示したフィードバック技術の両方を用いて、レーザ101と共振器130とを互いに同期させる更なる例示的なデバイスを示している。この具体例では、デバイス410は、光干渉計110の2つの光出力の一方の位相を90度シフトさせて第1の信号を生成するために使用され、デバイス420は、光干渉計110の2つの光出力の他方の時間微分を実行して、第2の信号を生成するために使用される。乗算器430は、第1の信号及び第2の信号を乗算して、乗算された信号を算出し、周波数差を示す第1の誤差信号を生成する。これに平行して、差動増幅器121を用いて、レーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第2の誤差信号として、光干渉計110の2つの光出力のパワーレベルの差分信号を生成する。次に、フィードバック140は、第1及び第2の誤差信号の両方を他の差動増幅器610への入力として用いて、レーザ101と光共振器130とを互いに同期させるための誤差信号として、出力を生成する。   FIG. 6 is a further illustrative example of synchronizing laser 101 and resonator 130 with each other using both the feedback technique shown in FIGS. 1A and 1B and the feedback technique shown in FIGS. 4A-4C and FIG. Devices are shown. In this example, device 410 is used to generate a first signal by shifting the phase of one of the two optical outputs of optical interferometer 110 by 90 degrees, and device 420 is the 2 of optical interferometer 110. Used to generate a second signal by performing a time derivative of the other of the two light outputs. The multiplier 430 multiplies the first signal and the second signal, calculates the multiplied signal, and generates a first error signal indicating the frequency difference. In parallel with this, using the differential amplifier 121, the power levels of the two optical outputs of the optical interferometer 110 as a second error signal representing the frequency difference between the laser frequency and the resonant frequency of the optical resonator. The difference signal is generated. Next, the feedback 140 uses both the first and second error signals as inputs to the other differential amplifier 610 and outputs as an error signal for synchronizing the laser 101 and the optical resonator 130 with each other. Is generated.

上述の技術をCaF2高Q値ウィスパリングギャラリーモード共振器フィルタに基づく実験的セットアップを用いて検査した。このセットアップでは、1551nmのレーザを使用し、レーザ出力をファイバに結合されたフィルタに供給した。マッハツェンダ干渉計は、ファイバパッチコード及びNewport社のダイレクトファイバカプラによって組み立てた。図7は、フィルタの測定された光スペクトルを示しており、図8は、誤差信号の具体例を示している。   The above technique was examined using an experimental setup based on a CaF2 high Q whispering gallery mode resonator filter. In this setup, a 1551 nm laser was used and the laser output was fed to a filter coupled to a fiber. The Mach-Zehnder interferometer was assembled with a fiber patch cord and a Newport direct fiber coupler. FIG. 7 shows the measured optical spectrum of the filter, and FIG. 8 shows a specific example of the error signal.

ウィスパリングギャラリーモード共振器(whispering gallery mode resonator:wgmr)に基づくフォトニックフィルタは、様々な用途におけるキャリア周波数と、wgmrの共振周波数との間で、周波数差の正確なチューニングを必要とすることがある。この差は、フォトニックフィルタのフィルタリング関数の中心を決定する。例えば、ある用途では、シングル15MHz広域CaF2wgmrフィルタの固有周波数は、数MHz以内に安定化できる。このレベルの周波数安定化は、約7mKの温度範囲以内の共振器の熱的安定化を要求することがある。これは、PID駆動熱電冷却器(thermoelectric cooler:TEC)及び受動熱分離(passive thermal isolation)を用いて達成できる。幾つかの用途では、より高い安定性が要求される。例えば、15MHzバランスフィルタは、2個の共振線の位相間の差を利用する。これは、MHz以下の周波数の安定性を必要とし、これには、100μKレベルの熱的安定化が要求される。このレベルの熱的安定化は、複雑な多段式TEC制御技術を用いて達成できるが、このような技術の幾つかでは、フィルタの綿密な熱設計及び比較的嵩張るパッケージングが要求される。   Photonic filters based on whispering gallery mode resonators (wgmr) may require precise tuning of the frequency difference between the carrier frequency in various applications and the resonant frequency of wgmr is there. This difference determines the center of the filtering function of the photonic filter. For example, in some applications, the natural frequency of a single 15 MHz wide area CaF2wgm filter can be stabilized within a few MHz. This level of frequency stabilization may require thermal stabilization of the resonator within a temperature range of about 7 mK. This can be achieved using a PID driven thermoelectric cooler (TEC) and passive thermal isolation. In some applications, higher stability is required. For example, a 15 MHz balance filter uses the difference between the phases of two resonant lines. This requires stability at frequencies below MHz, which requires thermal stabilization at the 100 μK level. This level of thermal stabilization can be achieved using complex multi-stage TEC control techniques, but some of these techniques require careful thermal design of the filter and relatively bulky packaging.

以下では、共振器の自然な熱的非線形性を利用して、レーザのレーザキャリア周波数と共振器のモードとの間の周波数間隔を制御する技術及びデバイスについて説明する。例えば、図9は、光共振器の共振を安定させるような1つのデバイスの詳細を示す図である。このデバイスでは、レーザ901は、レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成し、光共振器フィルタ920は、レーザ出力ビームの光路内に配置され、レーザ出力ビームの光を受け取る。光共振器920を光路に結合し、レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成するための光カプラが設けられている。光カプラは、レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、光共振器920に対して構成及び配置される。このデバイスは、レーザ出力ビームの光路内に、レーザ901と光共振器920との間に光変調器910を備え、光変調器910は、レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成し、光カプラによる変調側波帯内の光の光共振器920への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、変調側波帯内の光の光吸収によって、共振器920が熱的に安定する。変調側波帯は、光フィルタモード周波数とは周波数が異なる。TEC930は、共振器920に熱接触し、TECコントローラ940によるコントロールを介して、共振器920の温度を制御する。この温度制御は、共振器920を所望の熱条件の付近にする粗いDC熱バイアスを提供する。そして、変調レーザビームを用いて、共振器920をレーザ101に熱的に同期させる精密な熱的安定化を行う。   In the following, techniques and devices that control the frequency spacing between the laser carrier frequency of the laser and the mode of the resonator using the natural thermal nonlinearity of the resonator will be described. For example, FIG. 9 shows details of one device that stabilizes the resonance of the optical resonator. In this device, the laser 901 generates a laser output beam at the laser carrier frequency, and the optical resonator filter 920 is disposed in the optical path of the laser output beam and receives the light of the laser output beam. An optical coupler is provided for coupling the optical resonator 920 to the optical path, receiving the light of the laser output beam, and generating the optical output. The optical coupler provides optical coupling at an optical filter mode frequency different from the laser carrier frequency so as to provide optical coupling that is not under critical coupling conditions in which the light coupled to the optical resonator is completely trapped within the optical resonator. Constructed and arranged with respect to resonator 920. This device includes an optical modulator 910 between a laser 901 and an optical resonator 920 in the optical path of the laser output beam, and the optical modulator 910 modulates the laser output beam to generate a modulated sideband. However, the optical coupling of the light in the modulation sideband to the optical resonator 920 by the optical coupler is in the vicinity of the critical coupling condition, and the optical absorption of the light in the modulation sideband causes the resonator 920 to thermally Stabilize. The modulation sideband is different in frequency from the optical filter mode frequency. The TEC 930 is in thermal contact with the resonator 920 and controls the temperature of the resonator 920 through control by the TEC controller 940. This temperature control provides a coarse DC thermal bias that brings the resonator 920 near the desired thermal conditions. Then, using the modulated laser beam, precise thermal stabilization is performed in which the resonator 920 is thermally synchronized with the laser 101.

レーザ出力ビームは、RF源又は合成器912によって制御される周波数で変調される。変調サービス側波帯(modulation service sideband)の周波数位置及び強度は、合成器912のRFパワー及び周波数の制御によって、精密に制御できる。変調の周波数は、サービス側波帯が補助的光モードに一致し、この結合が、臨界結合条件に近いが、これより低くなるように選択される。光カプラと共振器との間の光結合のための臨界結合条件は、共振器内部の損失及び光カプラを介する光結合の損失が等しく、共振器に結合される光が共振器内に完全に捕捉され、共振周波数における結合された光の透過がゼロとなる条件である。この設計の下では、共振器920の他のモード、すなわち、光フィルタリング動作のために用いられるフィルタリングモードは、強く密結合(strongly overcoupled)され、したがって、フィルタリングモードの光は、共振器内に捕捉されず、共振器920を透過することができる。したがって、サービスモード及び補助的モードは、フィルタリングモードとは大きく異なる熱的非線形性を示す。この結果、実際には、サービス側波帯によって励起される補助的モードだけが熱的非線形性を介して共振器の光周波数に影響し、フィルタリングモードでフィルタリングされる信号は、共振器の加熱条件に影響しない。   The laser output beam is modulated at a frequency controlled by an RF source or synthesizer 912. The frequency position and intensity of the modulation service sideband can be precisely controlled by controlling the RF power and frequency of the synthesizer 912. The frequency of the modulation is selected so that the service sideband matches the auxiliary optical mode and this coupling is close to, but lower than, the critical coupling condition. The critical coupling condition for optical coupling between the optical coupler and the resonator is that the loss inside the resonator and the loss of optical coupling via the optical coupler are equal, and the light coupled to the resonator is completely in the resonator. A condition where the transmission of the captured and coupled light at the resonant frequency is zero. Under this design, the other modes of the resonator 920, i.e., the filtering mode used for the optical filtering operation, are strongly overcoupled, so that the filtered mode light is trapped in the resonator. Instead, it can pass through the resonator 920. Thus, the service mode and the auxiliary mode exhibit thermal nonlinearities that are significantly different from the filtering mode. As a result, in practice, only the auxiliary mode excited by the service sidebands affects the optical frequency of the resonator via thermal nonlinearity, and the signal filtered in the filtering mode is subject to the heating conditions of the resonator. Does not affect.

補助的モードにおける光パワーの吸収の結果、共振器の温度の可逆シフト及び共振器の屈折率のシフトが生じる。温度のこの変化は、共振器の周縁(rim)の付近の全ての光モードの周波数をシフトさせる。熱的非線形性は、光パワーを補助的モードに固定する自然なフィードバックを表す。共振器の温度の変動又はレーザの周波数の変動は、サービス側波帯を補助的光モードの勾配に維持する共振器の周縁の光学的加熱又は冷却を引き起こす。この熱フィードバックのフィードバック利得は、共振器の熱的非線形性、モード体積、共振器の本体の熱伝導率及び熱容量に依存する。   Absorption of optical power in the auxiliary mode results in a reversible shift in the resonator temperature and a shift in the refractive index of the resonator. This change in temperature shifts the frequency of all optical modes near the cavity rim. Thermal non-linearity represents natural feedback that locks the optical power to the auxiliary mode. Cavity temperature variations or laser frequency variations cause optical heating or cooling of the cavity periphery that maintains the service sidebands in the gradient of the auxiliary light mode. The feedback gain of this thermal feedback depends on the thermal nonlinearity of the resonator, the mode volume, the thermal conductivity of the resonator body and the heat capacity.

図10は、共振器内のサービス側波帯の熱効果に基づく熱的安定化のための上述した周波数を示している。このように、臨界結合条件の付近のサービス側波帯内の光の存在は、フィードバック制御回路なしで、フィルタモード周波数をレーザキャリア周波数に同期させる。幾つかの具体例では、フィードバック制御を提供して、サービス側波帯による熱的安定化を更に強めてもよい。例えば、光検出器を用いて、サービス側波帯における共振器からの光の透過を監視することができ、フィードバック制御を用いて、レーザのレーザ周波数又は共振器の温度を制御して、サービス側波帯が、サービス側波帯についての臨界結合条件の付近の共振の勾配にあることを確実にする。   FIG. 10 shows the above-described frequencies for thermal stabilization based on the thermal effect of the service sideband in the resonator. Thus, the presence of light in the service sideband near the critical coupling condition synchronizes the filter mode frequency to the laser carrier frequency without a feedback control circuit. In some implementations, feedback control may be provided to further enhance thermal stabilization by the service sideband. For example, a photodetector can be used to monitor the transmission of light from the resonator in the service sideband, and feedback control can be used to control the laser frequency of the laser or the temperature of the resonator to Ensure that the waveband is at a resonance gradient near the critical coupling condition for the service sideband.

この技術では、フィルタモード周波数でフィルタリングされる信号に影響しない完全に異なる光周波数で補助的光パワーを励起できる。フィルタリングモードの熱的非線形性は、低く保つことができる。レーザ周波数は、時間の経過に伴ってドリフトすることがあるが、サービス側波帯を介する熱的な同期によって、レーザがドリフトしても、レーザのキャリア周波数と、wgmrの共振周波数との間の周波数差を維持できる。したがって、この同期方式のために、長期安定性が高いレーザは、要求されない。   This technique can excite the auxiliary optical power at completely different optical frequencies that do not affect the signal filtered at the filter mode frequency. The thermal nonlinearity of the filtering mode can be kept low. The laser frequency may drift over time, but even if the laser drifts due to thermal synchronization through the service sideband, it is between the laser carrier frequency and the wgmr resonant frequency. The frequency difference can be maintained. Therefore, a laser with high long-term stability is not required for this synchronization method.

200kHzのCaF2線形wgmrフィルタ、EOSPACE社の変調器(EO-space modulator)及びKoheras社の1550nmレーザを用いて、ここに提案する技術を検査した。熱フィードバックの利得を測定するために、レーザ周波数を100MHzシフトさせ、図11に示すように、レーザの周波数とモードの共振周波数との間で相対シフトを測定した。120μWの光パワーを有するサービス側波帯と共に、測定されたフィードバック時定数は、約500msであり、利得は、約1000であった。150μWより高いパワーでは、この特定のセットアップのフィードバックは、不安定になった。   The proposed technique was tested using a 200 kHz CaF2 linear wgmr filter, an EOSPACE modulator and a Koheras 1550 nm laser. In order to measure the gain of the thermal feedback, the laser frequency was shifted by 100 MHz, and the relative shift was measured between the laser frequency and the mode resonance frequency as shown in FIG. With the service sideband having 120 μW optical power, the measured feedback time constant was about 500 ms and the gain was about 1000. At powers higher than 150 μW, this particular setup feedback became unstable.

測定された周波数差の安定性は、約100kHzであり、これは、バランスフィルタにおける約1度の位相安定性に相当する。熱屈折発振(thermo-refractive oscillation)の周波数より高い周波数でサブ変調されたサービス側波帯(sub-modulated service sideband)によって更なる向上が達成できる。この種のサブ変調は、熱屈折発振を抑圧し、サービス側波帯のパワーを高め、この結果、フィードバックの利得を高める。   The measured frequency difference stability is about 100 kHz, which corresponds to about 1 degree phase stability in a balanced filter. Further improvements can be achieved by sub-modulated service sidebands that are sub-modulated at a frequency higher than the frequency of thermo-refractive oscillation. This type of sub-modulation suppresses thermorefractive oscillations and increases the power of the service sideband, resulting in increased feedback gain.

サービス側波帯によって安定化される上述した光共振器フィルタの動作では、変調側波帯を搬送するために変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームが、光共振器に供給される。光カプラを使用して、変調側波帯における光を臨界結合条件の付近の光共振器に結合して、変調側波帯内の光の光吸収によって、共振器を熱的に安定させる。共振器が共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号は、光共振器を通るように方向付けられ、変調側波帯及び共振器制御レーザビームのレーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングが行われる。   In the operation of the optical resonator filter described above, which is stabilized by the service sideband, a resonator-controlled laser beam with a laser carrier frequency modulated to carry the modulation sideband is supplied to the optical resonator. An optical coupler is used to couple light in the modulation sideband to an optical resonator near the critical coupling condition and to thermally stabilize the resonator by light absorption of light in the modulation sideband. While the resonator receives and is stabilized by the resonator-controlled laser beam, the incident optical signal is directed through the optical resonator, and the modulated carrier and laser carrier of the resonator-controlled laser beam. Optical filtering of the incident optical signal is performed by resonance of the optical resonator at an optical filter mode frequency different from the frequency.

他の光同期は、注入同期によるレーザの共振器への同期である。例えば、レーザからWGM共振器にレーザ光を向け、WGM共振器からのレーザ光を、直接注入を介してレーザに供給することによって、線幅削減及び安定化のためにレーザをウィスパリングギャラリーモード(WGM)共振器に同期させることができる。共振器を通過する光の一部は、レーザに反射し、レーザ周波数(波長)を共振器の高Qモードの周波数に同期させ、そのスペクトルラインを狭くする。WGM共振器が、例えば、温度の変動又は振動等の環境摂動に対して安定化すると、共振器のモード周波数(modal frequency)の安定性は、レーザ周波数又は波長に伝わる。WGM共振器は、電気光学材料から形成することができ、材料に印加される電気的制御信号を変更することによって、チューニングすることができる。光注入同期のため、レーザ波長又は周波数は、共振器に印加されるDC電圧の印加によってチューニングできる。更に、WGM共振器に、共振器の1つ以上の自由スペクトル領域に一致する周波数を有するマイクロ波又はRF場を適用することによって、レーザ周波数を位相変調及び/又は振幅変調することができる。共振器のモード周波数は、温度、圧力の印加によって変更でき、電気光学材料で形成されている共振器の場合、印加されるDC電位によって変更できるので、レーザの周波数(波長)もチューニングできる。レーザに印加されるDC電流へのマイクロ波信号の印加によって、レーザの周波数が変調される場合、レーザの周波数(波長)は、共振器に同期されたままになる。この結果、変調可能な狭線幅レーザを得ることができる。WGM共振器が電気光学材料で形成されている場合、適切な結合回路を用いて、共振器にマイクロ波又はRF電磁波を印加して、レーザの強度を変調でき、レーザは、WGM共振器に同期され続ける。   Another optical synchronization is the synchronization of the laser to the resonator by injection locking. For example, by directing laser light from the laser to the WGM resonator and supplying the laser light from the WGM resonator to the laser via direct injection, the laser can be in whispering gallery mode for linewidth reduction and stabilization ( WGM) can be synchronized to the resonator. Part of the light passing through the resonator is reflected by the laser, and the laser frequency (wavelength) is synchronized with the high Q mode frequency of the resonator, narrowing its spectral line. When the WGM resonator is stabilized against environmental perturbations such as temperature fluctuations or vibrations, the modal frequency stability of the resonator is transferred to the laser frequency or wavelength. The WGM resonator can be formed from an electro-optic material and can be tuned by changing the electrical control signal applied to the material. For light injection locking, the laser wavelength or frequency can be tuned by applying a DC voltage applied to the resonator. Furthermore, the laser frequency can be phase and / or amplitude modulated by applying to the WGM resonator a microwave or RF field having a frequency that matches one or more free spectral regions of the resonator. The mode frequency of the resonator can be changed by applying temperature and pressure. In the case of a resonator formed of an electro-optic material, the mode frequency can be changed by the applied DC potential, so that the laser frequency (wavelength) can also be tuned. When the frequency of the laser is modulated by the application of a microwave signal to a DC current applied to the laser, the frequency (wavelength) of the laser remains synchronized to the resonator. As a result, a narrow linewidth laser that can be modulated can be obtained. When the WGM resonator is made of an electro-optic material, the intensity of the laser can be modulated by applying a microwave or RF electromagnetic wave to the resonator using an appropriate coupling circuit, and the laser is synchronized to the WGM resonator. Continue to be.

図12は、レーザを光共振器に同期させるための例示的デバイスを示している。このデバイスは、制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還(distributed feedback:DFB)レーザを含む。光共振器は、光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートし、DFBレーザに光学的に結合され、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器内にレーザビームの一部を受け取り、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードのレーザ光をDFBレーザに戻して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びDFBレーザの線幅を削減するように構成されている。また、このデバイスは、ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、光共振器からDFBレーザへのレーザ光のフィードバックを介して、DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを含む。この具体例の光カプラは、入力結合及び出力結合の両方のためのプリズムカプラである。DFBレーザと共振器との間には、カップリングマイクロ光学素子(coupling micro optics)が配設されている。DFBレーザは、他のレーザに比べて、本来の高いQ値(high intrinsic Q)を有し、したがって、WGM共振器の高密度スペクトル内のWGモードの選択について、より良好な制御を提供する。また、WGM共振器は、例えば、共振器を圧縮するPZTアクチュエータ等によって応力を印加することによって、又は温度制御によって、チューニング又は制御することもできる。図に示すように、レーザデバイスが形成される台(mount)は、熱的に制御される。   FIG. 12 shows an exemplary device for synchronizing a laser to an optical resonator. The device includes a distributed feedback (DFB) laser that is tunable in response to a control signal and generates a laser beam at a laser frequency. The optical resonator supports a whispering gallery mode circulating in the optical resonator, is optically coupled to the DFB laser, receives a portion of the laser beam in the whispering gallery mode optical resonator, The whispering gallery mode laser light is returned to the DFB laser, the laser frequency is stabilized at the whispering gallery mode frequency, and the line width of the DFB laser is reduced. The device also includes a resonator tuning mechanism that controls and tunes the frequency of the whispering gallery mode and tunes the laser frequency of the DFB laser via feedback of the laser light from the optical resonator to the DFB laser. The optical coupler in this specific example is a prism coupler for both input coupling and output coupling. Coupling micro optics is disposed between the DFB laser and the resonator. The DFB laser has an inherently high Q value compared to other lasers, and thus provides better control over the selection of WG modes within the high density spectrum of the WGM resonator. Also, the WGM resonator can be tuned or controlled by applying stress by, for example, a PZT actuator that compresses the resonator, or by temperature control. As shown in the figure, the mount on which the laser device is formed is thermally controlled.

本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらの詳細事項は、任意の発明の範囲又は特許請求の範囲を限定するものとは解釈されず、特定の実施の形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書おいて、別個の実施の形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実現してもよい。逆に、単一の実施の形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施の形態に別個に具現化してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして具現化してもよい。更に、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの1つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。   This specification includes many details, but these details are not to be construed as limiting the scope of any invention or the claims, and are specific features of a particular embodiment. It is interpreted as a description. In this specification, several features disclosed in the context of separate embodiments may be combined and implemented in a single embodiment. Conversely, various features disclosed in the context of a single embodiment can be embodied separately in multiple embodiments and can be embodied in any suitable subcombination. Furthermore, although the above describes some features as functioning in a certain combination, initially, even if so claimed, from the claimed combination One or more features may be excluded from the combination in some cases, and the claimed combination may be changed to a partial combination or a variation of a partial combination.

幾つかの具体例のみを開示した。本出願において説明し例示したことから、変形例、拡張例及び他の具体例を想到できることは明らかである。   Only a few specific examples have been disclosed. From what has been described and illustrated in this application, it is clear that variations, extensions and other specific examples can be conceived.

Claims (25)

レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、
前記レーザ出力ビームの光路内に位置し、前記レーザ出力ビームの第1の部分を受け取る第1の光路、前記レーザ出力ビームの第2の部分を受け取る第2の光路、及び前記第1及び第2の光路が合流して終わる光結合器であって、(1)前記第1の光路からの光の一部を透過し、前記第2の光路からの光の一部を反射して、第1の結合された光出力を生成し、(2)前記第2の光路からの光の一部を透過し、前記第1の光路からの光の一部を反射して、第2の結合された光出力を生成する光結合器を有する光干渉計と、
前記第1の光路に光学的に結合され、前記第1の光路内の光をフィルタリングする光共振器と、
前記第1の結合された光出力及び前記第2の結合された光出力を検出して、前記レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する検出モジュールと、
前記誤差信号を受け取り、前記誤差信号の前記周波数差に応じて、(1)前記レーザ及び(2)前記光共振器のうちの1つをチューニングして、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるフィードバック制御メカニズムとを備えるデバイス。
A laser that produces a laser output beam at a laser frequency;
A first optical path located in the optical path of the laser output beam for receiving a first portion of the laser output beam, a second optical path for receiving a second portion of the laser output beam, and the first and second (1) a part of light from the first optical path is transmitted, a part of the light from the second optical path is reflected, and the first And (2) transmitting a portion of the light from the second optical path and reflecting a portion of the light from the first optical path to produce a second combined light output. An optical interferometer having an optical coupler for generating optical output;
An optical resonator optically coupled to the first optical path and filtering light in the first optical path;
A detection module that detects the first combined light output and the second combined light output and generates an error signal representing a frequency difference between the laser frequency and a resonance frequency of the optical resonator. When,
Receiving the error signal and tuning one of the (1) the laser and (2) the optical resonator according to the frequency difference of the error signal to synchronize the laser and the optical resonator with each other; And a feedback control mechanism.
前記フィードバック制御メカニズムは、前記レーザをチューニングして、前記レーザを前記光共振器の共振周波数に対して同期させる請求項1記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the feedback control mechanism tunes the laser to synchronize the laser with a resonant frequency of the optical resonator. 前記フィードバック制御メカニズムは、前記光共振器をチューニングして、前記光共振器の共振周波数を前記レーザに同期させる請求項1記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the feedback control mechanism tunes the optical resonator to synchronize a resonant frequency of the optical resonator with the laser. 前記検出モジュールは、前記第1の結合された光出力及び前記第2の結合された光出力のパワーレベルの差分信号を誤差信号として生成する差動増幅器を備える請求項1記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the detection module comprises a differential amplifier that generates a differential signal of power levels of the first combined light output and the second combined light output as an error signal. 検出モジュールは、
前記第1の結合された光出力の位相をシフトして、第1の信号を生成する第1の信号処理ユニットと、
前記第2の結合された光出力の時間微分を行って、第2の信号を生成する第2の信号処理ユニットと、
前記第1の信号及び前記第2の信号を乗算して、乗算された信号を生成する信号乗算器とを備え、
前記検出モジュールは、前記乗算された信号を用いて、前記周波数差を示す誤差信号を生成する請求項1記載のデバイス。
The detection module
A first signal processing unit for shifting the phase of the first combined light output to generate a first signal;
A second signal processing unit for performing a time differentiation of the second combined light output to generate a second signal;
A signal multiplier for multiplying the first signal and the second signal to generate a multiplied signal;
The device of claim 1, wherein the detection module generates an error signal indicative of the frequency difference using the multiplied signal.
前記検出モジュールは、前記乗算された信号のDC成分を用いて、前記誤差信号を生成する請求項5記載のデバイス。   6. The device of claim 5, wherein the detection module generates the error signal using a DC component of the multiplied signal. 前記第1の結合された光出力の部分及び前記第2の結合された光出力の部分を受け取り、前記第1の結合された光出力のと前記第2の結合された光出力の前記受け取った部分のパワーレベルの差分信号を、前記レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第2の誤差信号として生成する差動増幅器を備える第2の検出モジュールを備え、
前記フィードバック制御メカニズムは、前記誤差信号及び前記第2の誤差信号の両方を用いて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させる請求項5記載のデバイス。
Receiving the first combined light output portion and the second combined light output portion; and receiving the first combined light output portion and the second combined light output portion. A second detection module comprising a differential amplifier that generates a differential signal of the power level of the portion as a second error signal representing a frequency difference between the laser frequency and the resonant frequency of the optical resonator;
The device of claim 5, wherein the feedback control mechanism synchronizes the laser and the optical resonator with each other using both the error signal and the second error signal.
前記誤差信号及び前記第2の誤差信号を受け取り、差動出力信号を生成する第2の差動増幅器を備え、前記フィードバック制御メカニズムは、前記差動出力信号に応じて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させる請求項7記載のデバイス。   The feedback control mechanism includes a second differential amplifier that receives the error signal and the second error signal and generates a differential output signal, wherein the feedback control mechanism responds to the differential output signal with the laser and the optical resonance. 8. The device of claim 7, wherein the devices are synchronized with each other. 前記光共振器は、狭帯域ウィスパリングギャラリーモード光共振器である請求項1記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the optical resonator is a narrowband whispering gallery mode optical resonator. レーザ及び光共振器を互いに同期させる方法において、
レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するステップと、
前記レーザ出力ビームのレーザ光を、交差する第1の光路及び第2の光路を含み、前記第1の光路の光と前記第2の光路の光との間に光干渉を生成する光干渉計に方向付けるステップと、
前記第1の光路内に光共振器を光学的に結合して、前記第1の光路内の光をフィルタリングするステップと、
前記光干渉計の2つの光出力を用いて、前記レーザのレーザ周波数と、前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するステップと、
前記誤差信号の前記周波数差に応じて、(1)前記レーザ及び(2)前記光共振器の1つをチューニングして、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるステップとを有する方法。
In a method of synchronizing a laser and an optical resonator with each other,
Generating a laser output beam at a laser frequency without operating the laser and modulating the laser beam;
An optical interferometer that includes a first optical path and a second optical path that intersect the laser light of the laser output beam, and generates optical interference between the light in the first optical path and the light in the second optical path. Step to orient to,
Optically coupling an optical resonator in the first optical path to filter light in the first optical path;
Using the two optical outputs of the optical interferometer to generate an error signal representing a frequency difference between the laser frequency of the laser and the resonant frequency of the optical resonator;
And (1) tuning one of the laser and (2) the optical resonator in response to the frequency difference of the error signal to synchronize the laser and the optical resonator with each other.
前記誤差信号として、前記光干渉計の前記2つの光出力のパワーレベルの差分信号を生成するステップを有する請求項10記載の方法。   The method according to claim 10, further comprising: generating a difference signal between power levels of the two optical outputs of the optical interferometer as the error signal. 前記光干渉計の前記2つの光出力の一方の位相を90度シフトさせて、第1の信号を生成するステップと、
前記光干渉計の前記2つの光出力の他方の時間微分を行って、第2の信号を生成するステップと、
前記第1の信号及び前記第2の信号を乗算して、乗算された信号を算出し、前記周波数差を示す前記誤差信号を生成するステップとを有する請求項10記載の方法。
Shifting one phase of the two optical outputs of the optical interferometer by 90 degrees to generate a first signal;
Performing a time derivative of the other of the two optical outputs of the optical interferometer to generate a second signal;
11. The method of claim 10, further comprising: multiplying the first signal and the second signal to calculate a multiplied signal and generating the error signal indicative of the frequency difference.
前記乗算された信号のDC成分を用いて、誤差信号を生成する請求項12記載の方法。   The method of claim 12, wherein an error signal is generated using a DC component of the multiplied signal. 前記光干渉計の前記2つの光出力のパワーレベルの差分信号を、レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第2の誤差信号として生成するステップと、
前記誤差信号及び前記第2の誤差信号の両方を用いて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるステップとを有する請求項12記載の方法。
Generating a difference signal between the power levels of the two optical outputs of the optical interferometer as a second error signal representing a frequency difference between a laser frequency and a resonance frequency of the optical resonator;
13. The method of claim 12, comprising synchronizing the laser and the optical resonator with each other using both the error signal and the second error signal.
レーザからのレーザ周波数に対して、光共振器の共振周波数を安定させるデバイスにおいて、
レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、
前記レーザ出力ビームの光路内に配置され、前記レーザ出力ビームの光を受け取る光共振器と、
前記光共振器を光路に結合し、前記レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成し、前記レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、前記光共振器に結合された光が前記光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、前記光共振器に対して構成及び配置された光カプラと、
前記レーザ出力ビームの光路内に、前記レーザと前記光共振器との間に配置され、前記レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成する光変調器とを備え、前記光カプラによる前記変調側波帯内の光の前記光共振器への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、前記変調側波帯内の光の光吸収によって、前記光共振器が熱的に安定し、前記変調側波帯は、前記光フィルタモード周波数とは周波数が異なるデバイス。
In a device that stabilizes the resonant frequency of the optical resonator with respect to the laser frequency from the laser,
A laser that generates a laser output beam at a laser carrier frequency;
An optical resonator disposed in an optical path of the laser output beam and receiving the light of the laser output beam;
The optical resonator is coupled to an optical path, receives light of the laser output beam, generates optical output, and the light coupled to the optical resonator is at the optical filter mode frequency different from the laser carrier frequency. An optical coupler configured and arranged with respect to the optical resonator to provide optical coupling that is not under critical coupling conditions that are completely trapped within the resonator;
An optical modulator disposed in the optical path of the laser output beam between the laser and the optical resonator and modulating the laser output beam to generate a modulated sideband; Optical coupling of the light in the modulation sideband to the optical resonator is near the critical coupling condition, and the optical resonator is thermally stabilized by light absorption of the light in the modulation sideband. The modulation sideband has a frequency different from that of the optical filter mode frequency.
前記光共振器の温度を制御して、前記光共振器が変調側波帯において、臨界結合条件の付近になるようにする温度制御器を備える請求項15記載のデバイス。   The device of claim 15, comprising a temperature controller that controls the temperature of the optical resonator so that the optical resonator is near a critical coupling condition in a modulation sideband. 前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である請求項15記載のデバイス。   The device of claim 15, wherein the optical resonator is a whispering gallery mode resonator. 前記光フィルタモード周波数の付近のスペクトル成分を有する光信号を方向付け、前記光共振器を通過させ、前記光フィルタモード周波数における前記光共振器の共振によって、前記光信号を光学的にフィルタリングするメカニズムを備える請求項15記載のデバイス。   A mechanism for directing an optical signal having a spectral component near the optical filter mode frequency, passing the optical resonator, and optically filtering the optical signal by resonance of the optical resonator at the optical filter mode frequency The device of claim 15. 光共振器フィルタを動作させる方法において、
変調側波帯を搬送するように変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームを光共振器に供給するステップと、
光カプラを動作させて、前記変調側波帯における光を、前記光共振器に結合された光が前記光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件の付近の前記光共振器に結合し、前記変調側波帯内の光の光吸収によって、前記光共振器を熱的に安定させるステップと、
前記光共振器が前記光共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号を方向付けて前記光共振器を通過させ、前記変調側波帯及び前記共振器制御レーザビームの前記レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における前記光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングを行うステップとを有する方法。
In a method of operating an optical resonator filter,
Providing an optical resonator with a resonator-controlled laser beam having a laser carrier frequency modulated to carry a modulation sideband;
Operate an optical coupler to couple light in the modulation sideband to the optical resonator near a critical coupling condition where the light coupled to the optical resonator is completely trapped in the optical resonator. Thermally stabilizing the optical resonator by light absorption of light in the modulation sideband;
While the optical resonator receives the optical resonator control laser beam and is stabilized thereby, directs an incident optical signal through the optical resonator to control the modulation sideband and the resonator control Performing optical filtering of an incident optical signal by resonance of the optical resonator at an optical filter mode frequency different from the laser carrier frequency of a laser beam.
前記光共振器に連結された温度制御器を用いて、前記光共振器の温度を制御し、前記光共振器が、前記変調側波帯において、前記臨界結合条件の付近になるようにする請求項19記載の方法。   A temperature controller coupled to the optical resonator is used to control the temperature of the optical resonator so that the optical resonator is near the critical coupling condition in the modulation sideband. Item 20. The method according to Item 19. 前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である請求項19記載の方法。   The method of claim 19, wherein the optical resonator is a whispering gallery mode resonator. 光共振器にレーザを同期させるためのデバイスにおいて、
制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還(DFB)レーザと、
前記光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構成され、前記DFBレーザに光学的に結合され、前記ウィスパリングギャラリーモードの前記光共振器内に前記レーザビームの一部を受け取り、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光を前記DFBレーザに戻して、前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数で前記レーザ周波数を安定させ、及び前記DFBレーザの線幅を削減する光共振器と、
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、前記光共振器から前記DFBレーザへの前記レーザ光のフィードバックを介して、前記DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムとを備えるデバイス。
In a device for synchronizing a laser to an optical resonator,
A distributed feedback (DFB) laser that is tunable in response to a control signal and generates a laser beam at a laser frequency;
Configured to support a whispering gallery mode circulating in the optical resonator, optically coupled to the DFB laser, and receiving a portion of the laser beam in the optical resonator in the whispering gallery mode Optical resonance that returns the whispering gallery mode laser light in the optical resonator back to the DFB laser, stabilizes the laser frequency at the whispering gallery mode frequency, and reduces the line width of the DFB laser. And
A resonator tuning mechanism that controls and tunes the frequency of the whispering gallery mode and tunes the laser frequency of the DFB laser via feedback of the laser light from the optical resonator to the DFB laser .
前記光共振器は、前記光共振器に適用される電気信号に応じて屈折率を変更する電気光学材料を含み、
前記共振器チューニングメカニズムは、前記電気信号を適用及び制御して、前記DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項22記載のデバイス。
The optical resonator includes an electro-optic material that changes a refractive index according to an electric signal applied to the optical resonator,
23. The device of claim 22, wherein the resonator tuning mechanism applies and controls the electrical signal to tune the laser frequency of the DFB laser.
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器の温度を制御及びチューニングして、前記DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項22記載のデバイス。   23. The device of claim 22, wherein the resonator tuning mechanism controls and tunes the temperature of the optical resonator to tune the laser frequency of the DFB laser. 前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器に加わる圧力を印加及び制御して、前記DFBレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項22記載のデバイス。   23. The device of claim 22, wherein the resonator tuning mechanism tunes the laser frequency of the DFB laser by applying and controlling pressure applied to the optical resonator.
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